石墨烯化学电阻接触缺陷的结构分析及其非理想环境下的性能演变

本研究针对商用石墨烯场效应晶体管(GFET)传感器在非实验室环境下的性能退化问题，通过STEM-HAADF/EDX、拉曼光谱和SIMS等多模态分析技术，揭示了氧化、碳污染等因素对传感器结构和电学性能的影响，为实际应用中的可靠性评估提供了重要数据支撑。

　　

在碳基传感器快速发展的今天，石墨烯场效应晶体管(GFET)因其卓越的导电性和灵敏度成为研究热点。然而，现有研究多聚焦于理想实验室环境下的性能表现，忽视了实际应用中氧气、湿度、光照等环境因素带来的挑战。这种"实验室-现实"的性能鸿沟严重制约了传感器的商业化进程。

为解决这一问题，布尔诺理工大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项创新研究。他们采用商用GFET-S10传感器（Merck生产），通过长达2周的自然环境暴露实验模拟真实使用场景。研究团队运用高角度环形暗场扫描透射电镜(STEM-HAADF)结合能谱分析(EDX)进行纳米级结构解析，辅以拉曼光谱和二次离子质谱(SIMS)进行化学成分表征，同时通过电流-电压(IV)特性和噪声谱分析评估电学性能变化。

材料与方法
研究选用硅基底SiO₂（90nm）上化学气相沉积(CVD)生长的单层石墨烯器件，金(Au)电极未经特殊处理。样本在常规环境储存后，采用STEM-HAADF实现原子级成像，EDX进行元素分布测绘，拉曼光谱检测结构缺陷，SIMS分析表面污染，电学测试包含IV曲线和噪声功率谱测量。

结果与讨论
STEM-EDX结果显示石墨烯层与金电极界面存在明显碳污染和氧化层。拉曼光谱检测到1350cm^-1处的D峰增强，证实结构缺陷增加。电学测试显示接触电阻上升2个数量级，1/f噪声显著增强，表明污染导致载流子散射加剧。值得注意的是，金电极表面检测到非石墨烯源的碳沉积，这与其传统"惰性"特性相矛盾。

结论
该研究首次系统揭示了GFET在非理想环境下的性能退化机制：①环境氧化导致石墨烯晶格缺陷；②电极界面碳污染形成额外势垒；③复合损伤使噪声系数恶化。这些发现为改进传感器封装技术和稳定性评估标准提供了关键依据，推动碳基传感器从实验室走向实际应用。

研究创新性地采用多尺度表征方法，将纳米级结构缺陷与宏观电学性能相关联。捷克国家实验室提供的先进表征平台（项目号LM2018110）和布尔诺理工大学内部基金（FEKT-S-23-8228）的支持对研究至关重要。论文通讯作者Petr Sedlák强调，这项工作为制定工业级传感器可靠性标准建立了新的评价维度。